JP5758070B2 - 瓶キャップ用アルミニウム合金板 - Google Patents

Description

本発明は、ガラス瓶のキャップ用アルミニウム合金板に関する。

口部にねじ部を有する飲料用容器には、アルミニウム合金製のキャップが封止される。このキャップは、アルミニウム合金板に塗装、印刷を施した後、カップ状にプレス成形され、そのカップの開口端部をトリミングした後、胴部にミシン目等を加工して、内面にシール材を固着又は嵌め込むことにより、製造される。そして、飲料を充填した容器の口部に被せた後、容器の口部のねじ部に合わせてねじ加工されながらシールされる。その容器としては、ガラス製の瓶が適用される。

このキャップの材料に要求される品質特性としては、落下強度や耐圧性とともに、ミシン目を切りながらねじを緩めるときの開栓性も重要である。また、製造時には、深絞り性、低耳率などの特性が安定していることが重要である。
そのキャップの材料として、容器がガラス製の瓶の場合、例えばＪＩＳ３１０５等のＡｌ−Ｍｎ系のアルミニウム合金などが使用されている（例えば、特許文献１〜３を参照。）。

特開２００５−２４６５号公報 特開２０００−２８２１９５号公報 特開２００５−３４４１６１号公報

ところで、この種の容器において、誤操作によりキャップを開栓方向とは逆方向に回してしまうと、空回りすることによりねじ山が崩れて開栓できなくなる不具合が生じる。このため、逆転トルク(キャップを逆回転して空回りし始める最大トルク）を大きくして、誤操作の防止を図ることが求められている。この場合、容器が金属製のボトル缶の場合は、ボトル缶とキャップとの摩擦が比較的大きいために、逆転トルクは大きいが、容器がガラス瓶の場合は、キャップとの摩擦が小さいため、逆転トルクが小さく、逆回転し易い傾向にある。

この逆転トルクを大きくするには、特許文献２にも記載されるように、キャップの素材強度を大きくすることが有効であるが、素材強度が大きくなり過ぎると開栓トルクも大きくなって開け難くなる。また、素材強度が高いと、キャップの絞り加工や、容器の口部に被せた後のねじ部の成形も困難になるという問題がある。

本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、開栓性、成形性を損なわずに、逆転トルクを大きくすることができる瓶キャップ用アルミニウム合金板の提供を目的とする。

本発明の瓶キャップ用アルミニウム合金板は、質量％で、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｍｇ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｆｅ：０．０１〜０．７％、Ｃｕ：０．０１〜０．３％、Ｚｎ：０．０５〜０．２％、Ｔｉ：０．０２〜０．０４％、Ｃｒ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、板厚が０．１５〜０．２０ｍｍであり、２００℃で１０分間熱処理した後の引張強さが１６０〜１９０ＭＰａ、耐力が１３５〜１６５ＭＰａ、引張強さと耐力との差が５〜２５ＭＰａであり、伸びが６〜１０％であるとよいが、その中でも、本発明は、２００℃で１０分間熱処理した後の引張強さが１６８〜１７６ＭＰａ、耐力が１６０〜１６５ＭＰａ、引張強さから耐力を引いた値が５〜１５ＭＰａであることを特徴とする。

この瓶キャップ用アルミニウム合金板は、Ｍｎを主成分とするＡｌ−Ｍｎ系合金である。また、２００℃で１０分間熱処理した後の機械的特性は、通常、印刷工程において１９０℃で５〜１０分間の熱処理が施されることから、この印刷工程を経てキャップ製品としたときの機械的特性を空焼きによって判定しようとするものである。その引張強さを１６０〜１９０ＭＰａとしたのは、１６０ＭＰａ未満では、耐圧強度等のキャップとして必要な機械的性質が得られず、１９０ＭＰａを超えると、ねじ部の成形が困難になるからである。また、耐力が１３５〜１６５ＭＰａとしたのは、１３５ＭＰａ未満ではキャップ成形時にしわが発生し易く、１６５ＭＰａを超えるとキャップ成形時に割れが発生し易くなるからである。そして、開栓性を損なわずに逆転トルクを増大させるためには、耐力を引張強さに近づけて、塑性変形領域を小さくすることが有効であり、これら引張強さと耐力との差が５〜２５ＭＰａの範囲とするのがよい。また、伸びが６〜１０％としたのは、キャップ成形性を良好にするためである。そして、その中でも、２００℃で１０分間熱処理した後の引張強さが１６８〜１７６ＭＰａ、耐力が１６０〜１６５ＭＰａ、引張強さから耐力を引いた値が５〜１５ＭＰａであるのがよい。

Ａｌ−Ｍｎ系合金において、まず、Ｍｎを０．３〜０．６％、Ｍｇを０．２〜０．５％とした。Ｍｎが０．３％未満、Ｍｇが０．２％未満では強度不足であり、Ｍｎが０．６％、Ｍｇが０．５％を超えると、強度が大きくなり過ぎて開栓性を損なう。そして、このＡｌ−Ｍｎ系合金の中で、特にＺｎ、Ｔｉ、Ｃｒの含有率をそれぞれ０．２％以下、０．０４％以下、０．０３％以下に低減したことにより、引張強さと耐力との差を小さくして、逆転トルクを安定させることができる。Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃｕの添加は成形性と強度とをバランス良く調整するためである。
また、このようにＺｎ、Ｔｉ、Ｃｒの含有率を小さくしたことにより、Ａｌ−Ｍｎ系合金としてのリサイクル性も向上させることができる。

また、その瓶キャップ用アルミニウム合金板を製造する方法としては、スラブに熱間圧延、複数回の冷間圧延を行った後に調質焼鈍処理を行うとともに、最終冷間圧延の前に、４００〜４８０℃の温度で中間焼鈍を行うことを特徴とする。

中間焼鈍、最終冷間圧延、調質焼鈍の順で処理して成形性を良くしており、その際の中間焼鈍温度を４００〜４８０℃の温度範囲としたのは、ＴｉやＣｒの含有率を小さくしたこととの関係で結晶粒の微細化効果があまり得られないことから、結晶粒の粗大化を防止するため比較的低温の温度範囲としている。

本発明によれば、Ａｌ−Ｍｎ系合金において、キャップとして要求される機械的性質、成形性、開栓性を良好にバランスさせて、瓶用のキャップとして用いた場合に、開栓性を損なわずに逆転トルクを高めることができ、誤操作による開栓不良の発生を防止することができる。

以下、本発明の実施形態を説明する。
まず、瓶キャップ用アルミニウム合金の実施形態について説明する。このアルミニウム合金は、質量％で、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｍｇ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｆｅ：０．０１〜０．７％、Ｃｕ：０．０１〜０．３％、Ｚｎ：０．２％以下、Ｔｉ：０．０４％以下、Ｃｒ：０．０３％以下を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、板厚が０．１５〜０．２０ｍｍであり、２００℃で１０分間熱処理した後の引張強さが１６０〜１９０ＭＰａ、耐力が１３５〜１６５ＭＰａ、引張強さと耐力との差が５〜２５ＭＰａであり、伸びが６〜１０％とされる。

このうち、各金属元素の添加理由は以下の通りである。
（Ｍｎ：０．３〜０．６％）
Ｍｎは、アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。このＭｎの添加量が０．３％未満であると、強度向上効果はあまり期待できず、０．６％を超えると、強度が大きくなり過ぎて成形性、開栓性を損なう原因となる。このため、Ｍｎは、０．３〜０．６％の範囲で含有することが好ましく、より好ましくは０．４〜０．５％の範囲である。

（Ｍｇ：０．２〜０．５％）
Ｍｇは、アルミニウム合金の強度を向上させるのに必要な元素である。しかしながら、Ｍｇが０．２％未満であると、薄肉化されたアルミニウム合金の強度を向上させる効果が不十分となり、Ｍｇが０．５％を超えると、強度が高くなりすぎて加工性が悪くなる。したがって、Ｍｇは、０．２〜０．５％の範囲で含有することが好ましく、より好ましくは０．３〜０．４％の範囲である。

（Ｓｉ：０．０１〜０．６％）
Ｓｉは、ＭｎやＦｅと化合物を形成して晶出物を形成するために、深絞り性を向上させる元素である。しかしながら、Ｓｉが０．０１％未満であると、その効果に乏しく、０．６％を超えると晶出物が多くなって逆に深絞り性が悪くなる。したがって、Ｓｉは、０．０１〜０．６％の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．１〜０．３％の範囲である。

（Ｆｅ：０．０１〜０．７％）
Ｆｅは、アルミニウム合金の強度を向上させる元素である。しかしながら、Ｆｅが０．０１％未満であると、深絞り性や耐食性が低下する傾向にあり、０．７％を超えると強度が高くなり過ぎる。このため、Ｆｅは、０．０１〜０．７％の範囲で添加することが好ましく、より好ましくは０．１〜０．３％の範囲である。

（Ｃｕ：０．０１〜０．３％）
Ｃｕは、アルミニウム合金の強度を向上させる効果があるが、その含有量が０．０１％未満であると、強度向上の効果に乏しく、０．３％を超えると強度が高くなりすぎたり、耐食性が低下する。

（Ｚｎ：０．２％以下）
Ｚｎは結晶粒を微細化して成形性を向上させる効果があるが、その含有量が多過ぎると、アルミニウム合金の強度が高くなり過ぎてしまい、かえって成形性が悪くなるので、０．２％以下とすることにより、キャップ材としての機械的性質を維持しつつそのばらつきを抑制することができる。また、このＺｎを０．２％以下とすることにより、後述する引張強さと耐力との差が小さくなる。

（Ｔｉ：０．０４％以下）
Ｔｉも、Ｚｎと同様に、結晶粒を微細化して成形性を向上させる効果があるが、その含有量が多過ぎると、アルミニウム合金の強度が高くなり過ぎてしまい、かえって成形性が悪くなるので、０．０４％以下とする。また、このＴｉを０．０４％以下とすることにより、引張強さと耐力との差が小さくなる。

（Ｃｒ：０．０３％以下）
Ｃｒは、耳率の低減に効果があるが、その含有量が多過ぎると、アルミニウム合金の強度が高くなり過ぎてしまい、かえって成形性が悪くなるので、０．０３％以下とする。また、このＣｒを０．０３％以下とすることにより、引張強さと耐力との差が小さくなる。

また、２００℃で１０分間熱処理した後の引張強さが１６０〜１９０ＭＰａとしたのは、１６０ＭＰａ未満になると、耐圧性やシール性が不足してしまい、１９０ＭＰａを超えると、強度が高くなり過ぎ、成形性が悪くなるとともに、開栓困難になり、割れが発生し易い。したがって、引張強さは、１６０〜１９０ＭＰａの範囲であることが好ましく、より好ましくは、１７０〜１８０ＭＰａの範囲である。
また、耐力を１３５〜１６５ＭＰａとしたのは、１３５ＭＰａ未満ではキャップ成形時にしわが発生し易く、１６５ＭＰａを超えるとキャップ成形時に割れが発生し易くなるからである。

そして、開栓性を損なわずに逆転トルクを増大させるためには、耐力を引張強さに近づけることが有効である。つまり、引張強さは引張力によって材料が破断するときの応力であり、耐力は一定の塑性ひずみ（０．２％）を生じる応力であるから、これらが近いということは、材料の塑性変形領域が小さいことを意味する。また、耐力を高くすることによって、引張強さが高くなりすぎて開栓性を損なうことなく、誤って逆回転した際のネジ山の損壊を防止できる。つまり耐力を引張強さに近づけることによって、逆転トルクを増大させて、逆方向への回転を抑止することが可能である。これら引張強さと耐力との差は５〜２５ＭＰａの範囲とするのがよく、より好ましくは５〜１５ＭＰａの範囲である。
また、伸びが６〜１０％としたのは、キャップ成形性を良好にするためである。
なお、この機械的特性に関して、２００℃で１０分間の熱処理を条件としたのは、印刷工程における焼き付け条件（一般的には１９０℃で５〜１０分間）より若干高い温度で熱処理することで、印刷後の機械的特性を安定させるためである。

次に、このキャップ用アルミニウム合金の製造方法について説明する。
溶湯からスラブを得た後、このスラブに熱間圧延加工、冷間圧延加工を複数回施し、これら圧延の前後に必要に応じて均質化処理と中間焼鈍を行い、中間焼鈍後に更に最終冷間圧延加工を施し、最終調質焼鈍を行う。

この一連の工程の中で、中間焼鈍は連続焼鈍炉で行い、実体温度を４００〜４８０℃とする。前述したようにＴｉやＣｒは結晶粒を微細化して成形性を向上させる効果があるが、その含有率を小さくしたことによる影響で結晶粒の微細化効果があまり得られないことから、結晶粒の粗大化を防止するため、４００〜４８０℃の比較的低温の温度範囲とするものである。
また、最終冷延率、及びこの最終冷間圧延後の最終調質焼鈍条件は、特に限定されるものではないが、最終冷延率を３０〜７０％、最終調質焼鈍温度を２１０〜２７０℃とすると、強度、成形性、開栓性のばらつきを抑えて、これらを適切に調整することができる。

なお、以上説明したアルミニウム合金は、前述したように瓶用のキャップ材として有効であり、比較的小さい口径、例えば公称外径が３３ｍｍ以下の瓶に好適である。

以下、本発明の実施例を説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することができる。
先ず、表１に示す各組成成分を有するアルミニウム合金を溶製し、スラブに鋳造した。次に、５６０℃×４時間の均質化処理を行い、熱間圧延で板厚６ｍｍとした。次に、冷間圧延、連続焼鈍炉での中間焼鈍を行いつつ、板厚が０．１５〜０．２ｍｍの範囲内となるまで圧延した。最後に２１０〜２７０℃の温度範囲内で適宜の温度を設定して保持時間が４時間の調質焼鈍を行った。このようにして、実施例及び参考例として、成分組成、中間焼鈍温度の異なる試料１〜８のアルミニウム合金板を得た。また、比較例として、本発明の範囲から外れる成分組成、中間焼鈍温度のものについても作製し、試料９〜１２とした。

そして、これら試料１〜８の実施例及び参考例、試料９〜１２の比較例の各アルミニウム合金板について、２００℃で１０分間熱処理した後に、引張強さ、耐力、伸びを測定し、また、キャップに成形して逆転トルクの測定を行った。
開栓トルク及び逆転トルクは、各アルミニウム合金板を口径が３３ｍｍのガラス瓶用のキャップに成形し、瓶の口部に巻き締めた後に測定した。開栓トルクは、キャップを正回転（反時計回り）して、１本目のブリッジが切れる際のトルク（２ｎｄトルク）であり、逆転トルクは、キャップを逆回転（時計回り）して、キャップが空回りするまでの最大トルクである。その開栓トルク（２ｎｄトルク）は、９０Ｎｃｍ未満を◎、９０Ｎｃｍ以上１００Ｎｃｍ未満を○、１００Ｎｃｍ以上１１０Ｎｃｍ未満を△、１１０Ｎｃｍ以上を×とした。一方、逆転トルクは１９５Ｎｃｍ以上を◎、１７５Ｎｃｍ以上１９５Ｎｃｍ未満を○、１６５Ｎｃｍ以上１７５Ｎｃｍ未満を△、１６５Ｎｃｍ未満を×とした。
これらの測定結果を表２に示す。

この表２に示されるように、本実施例及び参考例（試料１〜８）のアルミニウム合金板は、いずれも、引張強さと耐力との差が小さく、開栓トルクはキャップを開栓するのに適切な値とされ、逆転トルクも大きく、逆回転し難いキャップとなっている。
これに対して、比較例（試料９〜１２）は、引張強さと耐力との差が大きく、開栓トルクが大きいものや、逆転トルクが小さいものとなっている。

以上の試験結果から明らかなように、本発明のアルミニウム合金板は、開栓性を阻害することなく、逆転トルクを大きくすることができ、誤操作による逆回転現象を確実に防止することができることがわかる。

Claims (1)

1. 質量％で、Ｍｎ：０．３〜０．６％、Ｍｇ：０．２〜０．５％、Ｓｉ：０．０１〜０．６％、Ｆｅ：０．０１〜０．７％、Ｃｕ：０．０１〜０．３％、Ｚｎ：０．０５〜０．２％、Ｔｉ：０．０２〜０．０４％、Ｃｒ：０．０１〜０．０３％を含有し、残部がＡｌ及び不可避不純物からなる組成を有し、
   板厚が０．１５〜０．２０ｍｍであり、２００℃で１０分間熱処理した後の引張強さが１６８〜１７６ＭＰａ、耐力が１６０〜１６５ＭＰａ、引張強さから耐力を引いた値が５〜１５ＭＰａであり、伸びが６〜１０％であることを特徴とする瓶キャップ用アルミニウム合金板。